采煤系统分析：问题与解决方案

(1)采区上(下)山坡度

1)运输上(下)山和自溜上山

除个别小型矿井采用上(下)山串车提升的轨道运煤外,一般采区都采用输送机上(下)运煤或自溜上山溜放煤炭。缓斜煤层一般采用输送机上(下)山,倾斜和急倾斜煤层多采用自溜上山。

坡度小于15°的上(下)山,可以采用带式输送机或刮板输送机运煤;坡度为15°～25°的上(下)山,可以采用刮板输送机运煤;坡度超过25°的上(下)山,可以采用搪瓷溜槽或铸石溜槽溜煤,自溜坡度为30°～35°。自溜上山的布置形式有直线式和变坡式。直线式是按一定坡度和方向布置在煤层中或煤层底板岩层中的自溜上山。直线式自溜上山在溜煤过程中,容易因溜煤距离过长而砸坏溜槽,降低煤炭块煤率。为减缓溜煤速度,可采用变坡自溜上山,将上山布置成多段溜槽斜巷,在段与段之间设置输送机斜巷或溜煤眼来过渡。变坡自溜上山溜槽斜巷,每段斜长一般控制在60～80 m。

2)轨道上(下)山

轨道上(下)山的提升方式,一般采用绞车牵引的串车方式或无极绳运输方式。采用串车提升的,要求坡度小于25°;采用循环绞车运输的,要求坡度不超过10°。当煤层倾角小于25°时,无论是煤层轨道上(下)山,还是岩层轨道上(下)山,其坡度应与煤层倾角一致;当煤层倾角大于25°时,应将上(下)山坡度控制在25°以下。上(下)山坡度为6°～25°,可采用单滚筒绞车提升方式。

(2)区段参数

区段参数主要是指区段走向长度和区段斜长。

区段走向长度就是采区走向长度。区段一翼走向长度减去采区上山一侧的保护煤柱宽度和采区边界煤柱,为采煤工作面的推进长度。采煤工作面推进长度,爆破采煤时一般不小于500 m,普通机械化采煤不小于800 m,综合机械化采煤不小于1 500 m。

区段斜长,为采煤工作面长度、区段煤柱宽度和区段上下两条平巷的巷道宽度之和。

综采工作面长度一般为150～250 m,普采工作面长度一般为120～180 m,炮采工作面长度一般为80～150 m。

为了易于区段平巷的维护,一般在上下两个区段平巷之间留设一定宽度的煤柱,使平巷处于工作面上、下方固定支承压力影响较小的区域。缓斜、倾斜薄及中厚煤层,区段煤柱宽度一般为8～15 m,厚煤层约为30 m。

区段平巷的巷宽,对于普采和炮采为2.5～3.0 m,综采、综放开采为4.0～5.0 m。

(3)区段平巷的坡度和方向

区段运输平巷和回风平巷实际上并不是绝对的水平巷道。在实际生产中,为了便于排水和运送材料设备,区段平巷通常是以5‰～10‰的坡度掘进。由于坡度很小,一般在巷道布置和分析时都将它们视作水平巷道,只有在巷道施工设计才需加以注明。

区段运输平巷一般采用带式输送机或多台刮板输送机串联运煤。为保证输送机的正常运行和发挥设备效能,运输平巷在布置上可以有一定的坡度变化,但要求在一台输送机长度范围内必须保持直线方向。区段回风平巷中一般铺设轨道,采用矿车或平板车运送材料和设备。轨道平巷在布置上允许有一定的弯曲,但要求巷道要按一定的流水坡度尽量保持水平。同时,为了便于平巷与采煤工作面的连接,要求两条区段平巷都必须布置在所开采煤层的层位上,而且尽量保持相互平行,形成等长的工作面长度,为采煤工作面创造优良的技术条件。

在生产实际中,受地质条件和开采条件的影响,煤层起伏变化往往较大,运输平巷和回风平巷在布置上不易满足上述要求。要根据煤层走向变化情况和平巷运输设备的特点,采取双直线式、折线-弧线式或双弧线式的布置形式。

图5.5　双直线式布置

1—区段回风平巷;2—区段运输平巷

1)双直线式布置

双直线式布置是指两条区段平巷均按中线掘进,在平面上两条巷道呈平行直线状,在剖面上则有起伏变化,如图5.5所示。由于区段运输平巷和区段回风平巷均布置成直线巷道,能基本上保持采煤工作面的长度不变,便于组织生产和发挥机械效能,有利于综合机械化采煤。区段运输平巷可以铺设长距离带式输送机,减少运输设备占用台数和煤炭转载次数。但由于巷道有一定的起伏,在巷道低洼处需设小功率水泵排水,在轨道平巷要设小绞车解决材料设备的运输问题。双直线式布置只适用在煤层起伏变化不大的稳定煤层中。

2)折线-弧线式布置

当煤层沿走向起伏变化较大时,运输平巷可采用折线式布置,回风平巷则采用弧线式布置。这样既能满足输送机平巷要求直、允许有一定的坡度变化的要求,又能满足轨道平巷要求保持一定坡度、允许有一定弯曲的要求。

以图5.6为例,在煤层底板等高线图上从A点向E点开掘区段平巷,如果沿煤层底板按腰线掘进平巷,掘成平巷的轴线方向就随煤层走向变化而弯曲变化,可铺设轨道使用矿车运输,而不适宜铺设输送机。为了适应输送机铺设对巷道取直的要求,如果从A点按中线在煤层中掘进巷道,如图中虚线ABCDE所示,掘出的巷道起伏变化将会很大,在垂直面上呈弯曲状,也不完全适合于输送机的运转。在煤矿生产实际中,常选取几个主要的转折点,同时考虑每台输送机的适宜长度,取折线式布置,如图中的点画线AFGH所示。

图5.6　区段平巷坡度变化图

这就是在矿井巷道实测平面图上经常见到的,区段回风平巷呈弧线弯曲状,区段运输平巷呈折线形状,如图5.7(a)所示。对于走向变化较大的区段运输平巷,铺设带式输送机有困难,而采用多台刮板输送机串联运输时,平巷可采用如图5.7(b)所示的折线式布置。

图5.7　区段平巷布置方式

1—区段运输平巷;2、2′—区段回风(轨道)平巷;3—联络巷;4—煤层底板等高线

轨道平巷沿煤层走向掘进时,只要及时给出腰线,就比较容易掌握巷道掘进方向和位置。而运输平巷在掘进之前就应及时掌握煤层变化情况,确定巷道的变向转折点,以便按中线掘进。因此,上区段的运输平巷常与下区段回风平巷同时掘进,回风平巷超前一段距离,为运输平巷定向探明煤层变化情况。

3)双弧线式布置

在煤层走向变化较大,区段运输平巷采用矿车运煤时,可将区段运输和回风两条平巷均沿煤层走向布置成弧线形。

(4)区段平巷的单巷和双巷布置

1)平巷的双巷布置

对于普通机械化采煤和爆破采煤,在煤层走向变化较大的情况下,采用双巷布置时通常区段轨道平巷超前于区段运输平巷掘进,这样既可探明煤层变化情况又便于辅助运输和排水。对于煤层瓦斯含量较大、一翼走向长度较长的采区,采用双巷掘进有利于掘进通风和安全。煤层瓦斯含量很大的矿井,需要在工作面采煤前预先抽放瓦斯时,或者工作面后方采空区瓦斯涌出量很大,需加强通风和排放采空区瓦斯时,可将区段回风平巷布置成双巷。图5.8所示的就是将靠近采空区的一条回风平巷作为瓦斯尾巷,专用作排放采空区瓦斯。

图5.8　排放采空区瓦斯的区段平巷布置

1—区段运输平巷;2—区段回风平巷;3—瓦斯尾巷

对于综合机械化采煤,区段平巷采用双巷布置时,可以缩小巷道断面,将输送机与移动变电站、泵站分别布置在两条巷道内,运输平巷随采随弃,而对移动变电站、泵站所在的平巷加以维护,作为下区段的回风平巷,如图5.9所示。这种布置方式的缺点是,配电点到用电设备的输电电缆以及乳化液输送管、水管等需穿过两条平巷之间的联络巷,工作每推进一个联络巷的距离时,需移置电站、泵站并将电缆、油管等管线拆下来在另一条联络巷中重新布置,给生产和维修带来不便。综合机械化采煤工作面的等长布置,要求下一区段轨道平巷也要沿中线取直,随煤层底板起伏变化,这样双巷布置在普通机械化采煤所表现的回风平巷探煤作用和便于排水就基本消失,仅可对区段运输平巷中的积水起到疏导作用。此外,下区段回风平巷的断面积应保证下区段综采工作面的通风要求,有时还需要重新扩巷。

采用双巷布置时,当上区段采煤工作面一结束,就应立即转到下区段进行回采,以减少回风平巷的维护时间。

2)平巷的单巷布置

当煤层瓦斯含量较低,煤层埋藏稳定,涌水量较小时,常采用单巷布置。单巷布置的区段平巷掘进时,只要加强掘进通风,减少风筒漏风,掘进长度可达1 000 m以上。综合机械化采煤单巷布置时,区段运输平巷内的一侧需设置转载机和带式输送机,另一侧设置泵站及移动变电站等电气设备,因而巷道断面较大,一般达12 m2以上;区段回风平巷由于产量高、通风风量大,其断面也较大,与运输平巷断面基本相同或略小,如图5.10(a)所示。由于平巷巷道断面大,不利于掘进和维护,要求采用强度较高的支护材料。根据围岩条件可采用梯形支架或“U”形钢拱形可缩型支架,条件适宜的应采用锚杆支护。(www.xing528.com)

图5.9　综采区段平巷的双巷布置

1—转载机;2—带式输送机;3—变电站;4—泵站;5—配电点

在低瓦斯矿井中,煤层倾角小于10°,允许采用下行风的巷道,可将配电点、变电站等布置在区段上部平巷中,区段上部平巷进风,下部平巷回风,如图5.10(b)所示。这种布置方法可减小平巷断面,但应加强对瓦斯和煤尘的管理工作,以保证生产安全。

图5.10　综采区段平巷的单巷布置

1—转载机;2—带式输送机;3—变电站;4—泵站;5—配电点

(5)区段无煤柱护巷

用区段与区段之间留设煤柱的方法来维护区段平巷,使得区段平巷处于固定支承压力影响,造成煤炭回采率低。为了避开或削弱固定支承压力的影响,改善巷道维护状态,减少煤炭损失,可采用沿空留巷和沿空掘巷等无煤柱护巷的方法。

1)沿空留巷

沿空留巷就是在采煤工作面采过之后,将区段平巷用专门的支护材料进行维护,作为下区段的平巷。这种方法与留煤柱护巷相比较,可以少掘一条巷道,减少煤柱损失,而且巷道处于采空区边缘,避开了固定支承压力的影响,巷道维护条件好。但是巷道要受上下工作面的两次采动影响。沿空留巷的巷旁支护方法主要考虑以下三个方面:

①巷道支架要有一定的支护强度和可缩量;

②采煤工作面与巷道连接的端头处要加强支护;

③巷道靠采空区一侧采取适宜的支护方法。

巷旁支护的种类很多,应用较广的主要是木垛、密集支柱、矸石带、人工砌块和刚性充填带等支护。

木垛支护如图5.11(a)所示,在靠采空区一侧支单排或双排木垛,其优点是顶底板接触面积大,比较稳定,挡矸效果好,架设方便灵活;缺点是木材消耗量大,支护刚度低,仅用在围岩比较松软、煤层倾角较大的条件下。密集支柱支护如图5.11(b)所示,在巷道靠采空区一侧支两排密集支柱,特点是架设方便,支护强度和刚度高,对采高适应性好,一般用于顶底板较坚硬的中厚煤层中。图5.11(c)所示为矸石带巷旁支护,是一种经济性支护类型,适合于顶板比较稳定的中厚煤层和厚煤层中。人工砌块是用料石、混凝土预制块、轻质砌块等材料代替矸石的支护类型。刚性充填带是采用水力或风力将遇水凝固的硬石膏和碎矸石等充填到巷旁,具有较好的性能和护巷效果,有利于机械化作业。

图5.11　巷旁支护的几种类型

为减少沿空留巷的维护时间,在开采顺序上要求上区段采煤结束后应立即转入下区段进行回采。沿空留巷适用于厚度为2～3 m以下的薄及中厚煤层、煤层顶板为易冒落或中等冒落、底板不发生严重底鼓的条件下。

2)沿空掘巷

沿空掘巷是在上区段采煤工作面回采结束后,经过一段时间,待采空区上覆岩层移动基本稳定之后,沿上区段运输平巷采空冒落区边缘,掘进下区段工作面的区段回风平巷。根据煤层赋存情况、地质条件及所采取的技术措施不同,沿空掘巷又分为完全沿空掘巷、留窄小煤柱沿空掘巷,如图5.12所示。

沿空掘巷的位置应避开固定支承压力影响较大的区域,并且要求在采空区上覆岩层垮落稳定之后才能开始掘进。一般情况下掘进与上区段采煤工作面之间间隔时间应不短于3个月,通常为4～6个月,特殊情况为8～10个月,坚硬顶板比软顶板所需间隔时间要长一些。

沿采空区掘进巷道时,要尽量减少掘进时的空顶面积,适当缩小爆破进度,减少炮眼个数和装药量,加大巷道支架密度,用木板或荆(竹)笆刹好顶帮,以防止采空区矸石窜入巷道,防止冒顶事故。

沿空掘巷方法多用于开采缓斜、倾斜中厚煤层和厚煤层,是目前应用较为广泛的一种无煤柱开采方式。

(6)单工作面布置与双工作面布置

单工作面布置是在区段上下部各布置一条平巷,准备出一个采煤工作面。

双工作面布置如图5.13所示,双工作面也称作对拉工作面,就是利用三条区段平巷准备出两个采煤工作面。采煤过程中,中间的区段平巷铺设输送机作为区段运输平巷,上工作面煤炭向下运送到中间运输巷,下工作面煤炭向上运送到中间平巷,再集中由中间运输平巷运送到采区运输上山。上下两条平巷内铺设轨道,分别为两个工作面运送材料及设备。由于下工作面的煤炭是向上运输的,因此下工作面的长度应根据煤层倾角的大小及工作面输送机的能力而定。随着煤层倾角的增大,下工作面的长度应比上工作面的长度短一些。

图5.12　沿空掘巷的巷道位置

图5.13　双工作面布置

1—中间运输平巷;2—上轨道平巷;3—下轨道平巷

上下工作面的通风方式主要有两种:一种是由中间运输平巷进风,分别清洗上下工作面之后,由上下区段轨道平巷回风,或者是从上下平巷进风中间运输巷回风。无论哪种都存在有一个工作面出现下行风的问题。这种通风方式只适用于煤层倾角不大的情况下。第二种是由下部区段轨道平巷及中间运输巷进风,由上部轨道平巷集中回风的串联掺新风通风方式,这种方式存在上下区段工作面串联通风及上区段工作面风速可能超限的问题。双工作面通风方式,要根据煤层倾角和瓦斯涌出量情况,按有关规定选择合适的通风路线。

在采煤过程中,上下工作面之间要保持一定的错距,错距一般不超过5 m,在上下工作面与中间巷道交汇处用木垛加强支护,否则会造成靠采空区一侧的一段中间巷道维护困难。上下工作面的推进度应保持一致,上部工作面或下部工作面均可超前开采。当工作面有淋水时,一般采用下部工作面超前的方式。

双工作面的明显优点是可以减少区段平巷的掘进量和相应的维护量,提高采出率。两个工作面同采并共用一条运输平巷,可以减少设备,使生产集中,便于管理,提高效率,因而在实际生产中取得了良好效果。一般是用于炮采、普采,煤层倾角小于15°,顶板中等稳定以上,瓦斯含量不大的条件下。

(7)采煤工作面回采顺序

采煤工作面回采顺序有后退式、前进式、往复式及旋转式等几种。

工作面由采区边界向采区上山方向推进的回采顺序,称作后退式。如图5.14(a)所示,区段上下平巷和开切眼等回采巷道掘出并安装设备后,工作面才开始回采,采空区后方的区段平巷随工作面推进而报废垮冒,是最常用的一种回采顺序。

工作面由采区上山向采区边界方向推进回采,称为前进式。如图5.14(b)所示,其区段平巷不需要预先掘出,只需在采空区留下上区段的运输平巷,以作为下区段的回风平巷。为保证工作面有通畅的生产系统,工作面采空区两侧必须留出两条区段平巷,即沿空留巷。前进式的优点是:减少了掘进工作量,工作面准备时间短,回采率高。但巷道必须采取有效的支护措施和防止漏风措施。

往复式回采实质上是前进式和后退式的混合方式,如图5.14(c)、(d)所示。其主要特点是:一个区段采用后退式,另一个区段采用前进式,上区段工作面采煤结束后可直接搬迁到下区段工作面,缩短了设备搬运距离,节省搬迁时间。

图5.14　采煤工作面回采顺序

旋转式回采是指在上区段采煤工作面结束前,逐渐将工作面调斜,最后达到180°旋转状态直接推进到下一个区段工作面,实现工作面不搬迁而连续推进的回采顺序,如图5.14(e)所示。但旋转期间工作面调斜的顶板控制和采煤工艺比较复杂,旋转时的产量和效率低,边角煤损失较多。为提高综采设备的可靠性,必须加强设备维护,综采设备上井大修周期一般不超过两年,因此旋转往复式回采一般只宜旋转一次。